低平流层下温度结构常数和温度起伏谱幂率廓线的探空测量

两个不同空间距离上(r1=0.5m,r2=1m)温度结构常数廓线C2T(h)和温度起伏谱幂率廓线α(h)由探空仪获得。研制的湍流气象探空仪具有两个微温测量通道,可根据研究内容进行多种组合。除测量温度、湿度、压强、风速、风向、折射率结构常数C2n廓线、Fried参数r0、视宁度εFWHM、等晕角θ0和相干时间τ0等积分计算值外,还可得到高空湍流谱幂率廓线数据。谱幂率测量结果与Zilberman三层谱模式相比,在对流层顶以上有较大区别。这些结果对光传输、光通信、遥感和大气湍流建模等应用领域研究具有十分重要的意义。     

一个新的海边光学湍流外尺度和C_n~2的廓线模式

2016年12月13日至2017年1月2日期间,在茂名博贺海洋气象科学实验基地,采用自行研制的湍流气象探空仪,获取了30份海边温、湿、压、风速、风向和C_n~2等探空数据.基于HMNSP99外尺度模式,利用海边的探空数据拟合得到一个茂名大气光学湍流外尺度经验公式.同时对实验测得的高空湍流廓线数据进行统计平均,然后基于Hufnagel-Valley模式拟合得到符合海边湍流廓线规律的统计平均模式(C_n~2sea model).根据Tatarski高空湍流参数化方案,将用茂名外尺度公式估算的C_n~2分别与探空测量的C_n~2以及用其他外尺度模式估算的C_n~2进行了比较.对其进行统计性分析发现,利用新拟合的茂名外尺度公式、HMNSP99,Dewan以及(Coulman等外尺度模式计算的log10C_n~2)与实测值的整体相关系数分别为0.924,0.848,0.763和0.651,在变化趋势和量级上都表现出较好的一致性;以上四种外尺度模式估算结果的误差都很小,其整体平均绝对误差和平均相对误差分别为0.514和2.963%,0.627和3.612%,0.943和5.439%,0.766和4.417%,新拟合的外尺度模式的误差最小.进一步验证了新的海边外尺度和C_n~2廓线模式的可靠性和有效性,此外还发现高空大气光学湍流的发生与风切变和温度梯度具有十分密切的关系,为光电工程在海边场景应用所需的大气光学湍流廓线模式提供支持.     

Thorpe尺度估算库尔勒、茂名、拉萨大气光学湍流廓线

在新疆库尔勒、广东茂名海边、西藏拉萨三个地区释放的探空气球, 实现了温度、气压、风速等常规气象参数以及大气折射率结构常数的廓线测量。基于Tatarski湍流参数化方案以及以上地区探空数据, 利用Thorpe尺度估算了新疆库尔勒、广东茂名海边、西藏拉萨三个地区的高空大气光学湍流廓线, 并将这三个地区实测的廓线与其对应的估算结果做了对比, 结果表明: 估算值与实测值在量级和变化趋势上表现出较好的一致性, 相关性分别为69%, 60%, 68%;Thorpe尺度相较于其他估算湍流廓线的参数化方法输入参数少、更简便。     

湍流气象探空仪的研制及其性能分析

 最新研制的湍流气象探空仪是将温度脉动仪附加在常规气象探空仪上,实现了两路折射率结构常数、温湿压常规气象参数、温度谱等测量。通过在合肥和长春的实验表明该系统具有较高的测量精度和稳定性,在高空低温动态条件下探空仪系统噪声与温度脉动仪地面常温静态条件下的噪声相当。探空系统噪声引起的等效折射率结构常数小于2×10^-18 m^-2/3。能服务于激光传输、大气质量评价及天文台选址等相关领域对大气光学湍流研究的需要。     

合肥地区大气折射率结构常数高度分布模式

 利用QHTP-2型温度脉动探空仪对合肥地区大气折射率结构常数进行了长期连续的实地探空测量,对大量探空实验数据的统计分析得出合肥地区(0～25 km)折射率结构常数随高度分布廓线,并以国际广泛应用的Hufnagel-Valley模式为基础拟合得出合肥地区大气折射率结构常数统计模式廓线。研究发现:合肥地区大气湍流随高度分布廓线存在明显的昼夜和季节变化,大气湍流在随高度增加而减小的趋势上叠加了随机起伏,并具有鲜明的跳跃式结构;合肥地区的高空湍流模式廓线较好地符合实测的平均廓线,能反映自由大气中湍流随高度分布的重要特征——指数递减和对流层增强。     

用常规气象参数估算光学湍流廓线方法的比较

 采用美国SPARC数据中心提供的高分辨率无线电探空数据,运用Tatarski公式,对由外尺度或湍流能量耗散率结合常规气象参数估算的折射率结构常数结果进行了比较,间接证明了Sterenborg将外尺度选取1 m时的合理性。并比较了Coulman和Dewan两个外尺度经验公式估算的折射率结构常数。对比分析表明：利用外尺度或湍流能量耗散,结合常规气象参数,都能够估算出折射率结构常数。因湍流能量耗散率观测十分困难,该方法的合理性和代表性需待实验检验。Coulman的外尺度公式只是简单的经验公式,其普适性也需实验检验。而Dewan的外尺度公式中含有实测风速参数,由对流层和平流层不同区域的外尺度公式估算的折射率结构常数相对合理。     

不同地区大气折射率结构常数分布特性及分析

 大气湍流对光波传播的影响主要是由于大气随机起伏的湍流引起折射率的随机起伏,破坏了光波的相干性。研究传输问题就是研究湍流所造成的折射率随机变化的规律。主要利用HTP-2型温度脉动探空仪对大气折射率结构常数进行了实地探测及计算分析。通过对大量探空实验数据的统计分析,分别得出了合肥地区和北方干旱地区(0～30km)大气折射率结构常数在不同季节的白天和夜间的分布廓线和分布特性,对合肥地区和北方干旱地区的大气湍流结构特性有了比较清晰的认识,为大气光学传输工程的应用和理论计算提供了参考。     

基于天气数值预报模式预报高空光学湍流

介绍了天气数值预报模式的运行流程、模式安装、模拟参数设置等。结合光学湍流的参数化方案,预报了大气光学湍流强度廓线,并与探空气球实测数据对比验证。结果表明,预报的大气光学湍流强度廓线符合高空光学湍流的一般特征和变化规律,但廓线的形状与实测存在一定的差异,并分析产生差异的原因。分析表明,提高预报精度需要改进高空湍流外尺度模式。     

内尺度对光强闪烁激光雷达测量结果的影响

利用Kolmogorov谱、修正Hill谱和Rytov改进模型三种大气湍流功率谱模型,得到了光强闪烁激光雷达探测路径上闪烁指数与大气折射率结构常数之间的关系。分析了不同内尺度下大气湍流强度的变化情况,并与不考虑内尺度的情况进行了比较。结合实验数据对比分析了内尺度对光强闪烁激光雷达在探测大气湍流时的影响程度,结果表明在内尺度的取值变化范围内,采用修正Hill谱时,理论上有限内尺度的折射率结构常数与不考虑内尺度时折射率结构常数的比值可达9,实验中传输距离为1020 m和2040 m的传输路径上两者最大偏差为0.4和0.1个量级;Rytov改进模型下,理论上有限内尺度的折射率结构常数与不考虑内尺度时折射率结构常数的比值可达6,实验中同样传输路径上两者最大偏差为0.6和0.3个量级。理论和实验结果表明:有限内尺度的折射率结构常数测量结果在一定程度上偏离不考虑内尺度的折射率结构常数,且影响程度与激光传输距离和内尺度的大小有关。因此,在光强闪烁激光雷达的大气湍流探测过程中,必须考虑内尺度效应。     

近地面大气光学湍流外尺度的实验研究

分析了含有外尺度的Von-Karman湍流空间相关函数模型, 并利用光纤湍流空间传感阵列的实测数据, 根据拟合算法获得了大气光学湍流空间外尺度的值及日变化, 对模型的适用性进行了实验验证. 将空间相关函数理论与空间多点同步测量的数据相结合, 尽可能清晰地展现了几种适合用相关函数描述的湍涡尺度. 结果表明, 在1.8 m的草地上, 大气光学湍流的外尺度呈现出白天较大、夜间较小的日变化趋势, 正午前后均值约为0.44 m, 夜间约为0.3 m. 有三点需要说明: 其一, 当两点间距恰好等于外尺度时, 其空间相关系数为0.26, 当两点间距超过外尺度之后, 仍具有一定的相关性; 其二, 积分尺度代表了湍涡尺度的平均值, 该值略小于外尺度; 其三, 湍涡的最大尺度所对应的湍流空间相关性为0, 其值略大于外尺度. 不难发现: 湍涡三种尺度的日变化与湍流强度的日变化趋势非常相似. 以空间布点探测的方法获取湍流特征尺度, 结果直观, 而且能够直接验证湍流空间相关函数模型, 所以可在一定程度上促进湍流空间结构特性的研究.     

An anatomically accurate eye model with a shell-structure lens

A human eye model based on anatomically accurate eye model previously proposed by Liou, has been transformed into a new eye model, in which laminated structure of the lens is considered. The crystalline lens is presented in the form of hundreds of shells with rotational symmetry, and with constant index within each shell. The refractive index increases from the cortical shell to the inner one, according to the equation proposed by Smith G. et al. The anterior surface of the lens is prolate, whereas the posterior surface of the lens is oblate which is consistent with the anatomical data. A ray tracing procedure has been applied to study the refractive structure of the eye. The optical characters of the model have been studied. The reason that the wings occur on the spherical aberration curve has been given. And we found that the lens with gradient refractive index and lens with shell structure can give same longitudinal spherical aberration results.     

大气温度分布特性及对折射率结构常数的影响

影响大气湍流运动强弱和时空结构的因子比较复杂,大气中平均流场和大气温度的分布都是不均匀的,特别是沿垂直方向的大气温度分布,决定着垂直方向的热力不稳定性和湍流的强弱。观测事实表明,随着季节和天气条件的不同,大气温度垂直分布有很大的变化。通过对我国安徽合肥地区整层(0～20km)大气温度的观测资料的分析,得到了大气温度的垂直分布廓线和统计特性模式误差廓线;大气折射率结构常数Cn^2是表示大气光学湍流强度的一个重要参量,但大气折射率的测量较为困难,因此通常先测量温度起伏量,再用平均的温度和气压来计算得到Cn^2。通过对温度和气压模式误差的分析,可以计算得到Cn^2结果的误差,重点分析大气温度分布特性及由此带来的模式误差,并讨论其对计算Cn^2的影响。     

陆地和近海面大气光学湍流估算与测量

基于Monin-Obukhov相似性理论,采用MARIAH算法,利用成都和茂名两个地区、两个高度层上的温度、湿度、风速等常规气象参数估算折射率结构常数,并对估算值与温度脉动仪测量值进行比较分析。结果显示:利用常规气象参数估算得到的成都与茂名的折射率结构常数在变化趋势及量级上基本符合温度脉动仪测量值。成都和茂名的折射率结构常数估算值与测量值的相关系数分别为0.86与0.92,平均绝对值偏差分别为0.410与0.414。因此,采用MARIAH算法估算陆地和近海面大气光学折射率结构常数是可行的;茂名中午时刻的折射率结构常数峰值比成都大一个量级。     

大气折射率结构常数垂直分布特征

 通过对我国安徽合肥、河北香河、云南昆明三个站址整层(0-30km)的大气折射率结构常数的观测资料的分析,得到了的垂直分布特征和统计特征;利用现有的高度分布模式进行了计算和分析,并在此基础上给出了自己的拟合公式。     

Inverse radiation problem of temperature distribution in one-dimensional isotropically scattering participating slab with variable refractive index

In this paper, an inverse analysis is performed for estimation of source term distribution from the measured exit radiation intensities at the boundary surfaces in a one-dimensional absorbing, emitting and isotropically scattering medium between two parallel plates with variable refractive index. The variation of refractive index is assumed to be linear. The radiative transfer equation is solved by the constant quadrature discrete ordinate method. The inverse problem is formulated as an optimization problem for minimizing an objective function which is expressed as the sum of square deviations between measured and estimated exit radiation intensities at boundary surfaces. The conjugate gradient method is used to solve the inverse problem through an iterative procedure. The effects of various variables on source estimation are investigated such as type of source function, errors in the measured data and system parameters, gradient of refractive index across the medium, optical thickness, single scattering albedo and boundary emissivities. The results show that in the case of noisy input data, variation of system parameters may affect the inverse solution, especially at high error values in the measured data. The error in measured data plays more important role than the error in radiative system parameters except the refractive index distribution; however the accuracy of source estimation is very sensitive toward error in refractive index distribution. Therefore, refractive index distribution and measured exit intensities should be measured accurately with a limited error bound, in order to have an accurate estimation of source term in a graded index medium.     

戈壁地区折射率结构常数高度分布的统计特性

通过以系留气球和探空气球为平台的方式, 搭载温度脉动仪在戈壁地区对大气折射率结构常数开展长期测量。对获取的实验数据开展统计分析, 探讨了在白天与夜间折射率结构常数的平均情况、高度分布、偏度与峰度、季节的强弱特性等四个方面的内容, 结果表明:在测量地区, 随高度分布的大气折射率结构常数在白天和夜间的算术平均值和对数平均值的比值会有较大的差异, 并且白天和夜间的对数平均值和标准差系数随高度分布各有其特点, 表现在随高度整体减小的同时会有起伏出现, 尤其是夜间;白天和夜间的偏度与峰度主要表现出右偏和尖峰特性, 在高度分布上有所不同;季节变化对湍流的强弱分布产生明显影响, 集中体现在中性湍流和弱湍流分布情况随高度发生交互变化。     

大气折射率结构常数和湍流特征谱的计算

 分析了海面边界层大气湍流温度脉动的统计特征，结果表明：虚温的功率谱是随时间而演变的，表现在其标度指数随时间变化；比较了不同统计时间下计算的大气折射率结构常数，并根据大气状态的实时变化提出了一种计算折射率结构常数的变间隔时间平均算法。